Geforscht wird in München nicht nur an Hochschulen. In etlichen Bereichen arbeiten Organisationen wie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, die Max-Planck-Institute oder das Helmholtz-Zentrum in Neuherberg, die nicht lehren, sondern nur forschen. Die größte davon wurde 1949 im bayerischen Wirtschaftsministerium gegründet und nach Joseph von Fraunhofer benannt: Der 1787 in Straubing geborene Wissenschaftler und Unternehmer, gilt als einer der Begründer der anwendungsorientierten Forschung. Heute ist die Fraunhofer-Gesellschaft mit knapp 24 000 Mitarbeitern Europas größtes Forschungsunternehmen. In Deutschland unterhält sie 66 Institute. In München stehen neben dem Hauptsitz zwei davon, weitere in Garching, Freising und Holzkirchen.
Nach der Gründung beschränkte sich die Fraunhofer-Gesellschaft zunächst darauf, wirtschaftsnahe Forschung zu fördern. Der Marshall-Plan brachte dafür zusätzliches Geld, auch wenn es starke Konkurrenten gab, allen voran die bereits 1948 etablierte Max-Planck-Gesellschaft, die ihren Verwaltungssitz ebenfalls in München unterhält, und die 1951 ins Leben gerufene Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG. Von den Fünfzigerjahren an ließ das Wirtschaftswunder die Investitionen ansteigen, die Fraunhofer-Gesellschaft blühte auf, neue Forschungsstätten entstanden.
Nicht alle waren darüber glücklich, vor allem in den Sechzigerjahren. Denn damals widmete sich die Gesellschaft stark der Verteidigungsforschung. 1968 musste die Polizei gar Institutsbesetzungen verhindern. Dazu kam der Fall des Mitarbeiters Ehrenfried Petras, der sich in die DDR absetzte und Fraunhofer vorwarf, an der Vorbereitung eines ABC-Kriegs beteiligt zu sein. Die Verteidigungsforschung machte zu dieser Zeit mehr als die Hälfte des Budgets der Fraunhofer-Gesellschaft aus. Sie verlor erst allmählich an Bedeutung.
Mit einem Kabinettsbeschluss wurde 1973 anwendungsorientierte Forschung nach Joseph von Fraunhofers Vorbild zum Geschäftsmodell der Gesellschaft: Die Grundfinanzierung durch den Staat bemisst sich daran, wie erfolgreich Aufträge aus der Wirtschaft gesammelt werden. und Fraunhofer expandierte weiter, im In- und Ausland. Zur Palette der Fraunhofer-Entwicklungen gehören etwa das Cochlea-Implantat, mit dem Gehörlose rudimentär hören können (1989), das erste energieautarke Solarhaus (1992) und leistungsstarke Lithium-Akkus (1998). Bekannt wurde die Gesellschaft spätestens 2000 durch das Dateiformat MP3, das zum Standard für Musikdateien wurde. Zuletzt meldete die Gesellschaft, die 2003 ein Hochhaus an der Hansastraße und damit erstmals ein eigenes Gebäude bezog, pro Werktag mehr als zwei Patente an.